楊忠東

(開灤(集團(tuán))有限責(zé)任公司,河北省唐山市,063000)

大傾角工作面托復(fù)合頂板開采冒頂原因及處理措施研究

楊忠東

(開灤(集團(tuán))有限責(zé)任公司,河北省唐山市,063000)

研究了唐山礦業(yè)公司鐵一區(qū)5＃煤層大傾角工作面托復(fù)合頂板開采技術(shù),通過分析大傾角工作面托復(fù)合頂板開采的冒頂機(jī)理,對煤層傾角、地質(zhì)變化和生產(chǎn)管理等影響因素進(jìn)行了分析,總結(jié)出了一套系統(tǒng)處理冒頂事故的方案,加強(qiáng)工作面質(zhì)量管理、打超前錨桿加固煤壁、注射煤體固化劑、優(yōu)化采區(qū)設(shè)計(jì)等處理措施,實(shí)現(xiàn)了大傾角工作面托復(fù)合頂板的安全開采。

大傾角工作面 托復(fù)合頂板開采 冒頂 破碎頂板

由泥巖、頁巖、粉砂巖及煤等煤巖層組成的頂板一般稱為復(fù)合頂板。從本質(zhì)上講,復(fù)合頂板在煤層開采后特別容易離層,復(fù)合頂板直接頂較薄易冒,直接頂上部老頂巖層較堅(jiān)硬,開采時(shí)直接頂與上部老頂易離層,從而引發(fā)漏垮型冒頂,危險(xiǎn)性大。在唐山礦業(yè)公司鐵一區(qū)多煤層煤田中,存在較多的復(fù)合頂板煤層,在此類煤層開采條件下,復(fù)合頂板引發(fā)的冒頂事故不僅威脅著工作面的安全回采,也極大地影響了原煤的分選,降低了精煤的回收率,煤礦企業(yè)為保證安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益,必須采用托復(fù)合頂板的方式開采該煤層,而在大傾角條件下的托復(fù)合頂板開采更為困難。因此,對大傾角工作面托復(fù)合頂板開采及處理技術(shù)進(jìn)行分析,研究安全可靠地冒頂處理方案,對促進(jìn)工作面及整個(gè)礦區(qū)的安全高效生產(chǎn)有重大的影響意義。

1 煤層及工作面概況

唐山礦業(yè)公司鐵一區(qū)5＃煤層是典型的復(fù)合頂板煤層,該區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造呈盆狀結(jié)構(gòu)。在煤層沉積形成過程中,區(qū)域盆地部分的5＃煤層頂板存在較厚的復(fù)合頂板,主要為腐質(zhì)泥巖,并且伴有煤線復(fù)合層。

5＃煤層厚度在2.0～4.5 m左右,平均3.2 m,煤層傾角為10°～40°左右,平均25°。復(fù)合頂板由砂巖、粉砂泥巖、煤線組成,膠結(jié)能力較差,厚度在0～2.5 m左右。5＃煤層具體頂?shù)装鍘r性狀況如圖1所示。工作面采用走向長壁綜合機(jī)械化采煤法,由于頂板的易碎性,特采用ZQF6200－16/32型液壓支架支護(hù)頂板,采空區(qū)處理方法為全部垮落法充填采空區(qū)。

圖1 煤層頂?shù)装鍘r性狀況

自2006年至今,5＃煤層先后開采了T1451、T1452、T1453、T1454、T1455、T1456等多個(gè)工作面,由于直接頂為易破碎的復(fù)合頂板,必須采用托復(fù)合頂板開采方法。托復(fù)合頂板開采是指在回采過程中,利用金屬網(wǎng)、木板等托頂設(shè)備配合液壓支架,托住與其接觸的破碎直接頂,支護(hù)頂板,隨采動(dòng)前移托頂設(shè)備,避免破碎巖石落入工作面,多應(yīng)用于頂板較破碎的復(fù)合頂板工作面。這些工作面因托復(fù)合頂板開采,程序繁雜,困難加大,出現(xiàn)開采緩慢、跳面等情況,特別是工作面進(jìn)入大傾角條件之后,工作面冒頂事故頻發(fā),使工作面的生產(chǎn)管理難度更大,托復(fù)合頂板開采變得更加困難。

2 托復(fù)合頂板開采冒頂機(jī)理及影響因素分析

托復(fù)合頂板開采發(fā)生冒頂事故有兩方面因素,一方面由巖性內(nèi)部因素引起,復(fù)合頂板膠結(jié)性極差,甚至成沙土性,周期來壓時(shí)懸空頂板對直接頂壓力過大導(dǎo)致復(fù)合頂板極易冒落,在開采過程中,復(fù)合頂板承受支護(hù)時(shí)間短,控制不及時(shí)容易發(fā)生冒頂事故;另一方面主要是由外部因素引起,有煤層傾角影響、地質(zhì)變化影響、生產(chǎn)管理影響等。

2.1 托復(fù)合頂板工作面開采冒頂機(jī)理分析

5＃煤層區(qū)域的復(fù)合頂板巖狀松散,膠結(jié)性極差,但直接頂相對完整,巖石硬度相對較大,從而增加了頂板控制的難度。根據(jù)走向長壁采煤工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律可知,5＃煤層區(qū)域的周期來壓步距為25 m,根據(jù)開采速度推進(jìn)的快慢,步距相應(yīng)增長或縮短。工作面推進(jìn)中冒頂過程如圖2所示。

圖2 工作面開采推進(jìn)中冒頂過程示意圖

在回采過程中,當(dāng)工作面正?；夭芍芷趤韷簳r(shí),工作面上部頂板支承壓力明顯增大,工作面周圍出現(xiàn)板炮聲(頂板斷裂),頂板在支架上方采空側(cè)斷裂,如圖2(a)所示狀態(tài);當(dāng)工作面推進(jìn)時(shí),由于老頂硬度大,完整性較好,隨工作面推進(jìn)出現(xiàn)懸頂狀態(tài),工作面前方支承壓力急劇增大,成欲切頂狀態(tài),部分懸空老頂將應(yīng)力全部作用在直接頂上,直接頂為完整性較差的復(fù)合頂板,在老頂及上覆巖層應(yīng)力作用下,直接頂將被擠壓破碎,如圖2 (b)所示;當(dāng)工作面繼續(xù)推進(jìn),老頂懸頂長度繼續(xù)增大,應(yīng)力也隨著增大,達(dá)到一定面積后斷裂垮落,復(fù)合頂板因承受過大壓力而全部破碎,此時(shí)割煤及移動(dòng)液壓支架,極容易發(fā)生片幫、巖石冒落,如控制不及時(shí),在復(fù)合頂板相對較厚的區(qū)域,容易出現(xiàn)冒頂事故擴(kuò)大化現(xiàn)象,造成大面積冒頂事故發(fā)生,如圖2(c)所示。

2.2 冒頂影響因素分析

2.2.1 大傾角影響因素

5＃煤層區(qū)域的T1455、T1456工作面均為大傾角工作面,煤層傾角變化大,很大程度增加了托復(fù)合頂板開采的難度。大傾角工作面開采時(shí),托頂設(shè)備的穩(wěn)定性極差,液壓支架固定困難,在推采和移架過程中,破碎復(fù)合頂板會(huì)因大傾角和重力作用向工作面內(nèi)部滑落,支護(hù)操作不及時(shí),支護(hù)工序不連續(xù)就會(huì)發(fā)生大面積冒頂事故。

2.2.2 地質(zhì)變化影響因素

在煤炭開采過程中,地質(zhì)變化對采煤工作面影響極大,對于托復(fù)合頂板開采的工作面,影響尤為突出。其中斷層與褶皺對托復(fù)合頂板開采的影響最大,逆斷層更容易造成大面積冒頂事故。根據(jù)斷層形成的構(gòu)造機(jī)理,逆斷層多因地層受到橫向擠壓力超過地層承受力,沿滑移面產(chǎn)生相對位移,在滑移的過程中容易形成較大范圍的破碎帶。在工作面中存在逆斷層時(shí),因煤層及頂板破碎,往往容易發(fā)生煤壁片幫,甚至大面積冒頂事故。T1456工作面回采過程中出現(xiàn)了兩次冒頂事故較為嚴(yán)重的區(qū)域,第一區(qū)域位于500～400 m的位置,第二區(qū)域位于330～230 m的位置,兩個(gè)區(qū)域均處于正斷層構(gòu)造帶,落差在0.5～1.6 m,該區(qū)域處于受拉地應(yīng)力構(gòu)造帶,造成復(fù)合頂板更加破碎,托頂支護(hù)更加困難。

2.2.3 生產(chǎn)管理影響因素

托復(fù)合頂板煤層開采的過程中,由于生產(chǎn)管理不嚴(yán)格,工作面條件差,尤其是在大傾角工作面更容易造成冒頂事故。在T1456工作面生產(chǎn)過程中,因員工操作不規(guī)范,移架時(shí)將架間及前梁的護(hù)網(wǎng)扯破,多次造成漏粉、漏矸情況,并且控制不及時(shí),掉落的矸石將煤壁砸垮,形成流矸通道,架頂及采空區(qū)側(cè)的矸石從前梁不斷垮落,從而擴(kuò)大為冒頂事故。

3 大傾角托復(fù)合頂板開采冒頂事故處理措施

由于大傾角托復(fù)合頂板開采存在較大的困難,因此開采過程中難免發(fā)生冒頂事故,事故發(fā)生時(shí)及時(shí)采取有效的處理措施,可以防止事故的擴(kuò)大化,從而保證安全有序的生產(chǎn)。T1456工作面主要冒頂處理措施為加強(qiáng)工作面質(zhì)量管理、打超前錨桿、利用充填材料、注射煤體固化劑、優(yōu)化采區(qū)設(shè)計(jì)等。

3.1 加強(qiáng)工作面質(zhì)量管理及機(jī)電管理

T1456工作面開采時(shí)必須全斷面封網(wǎng),液壓支架增加防倒滑裝置,割煤方式必須采用單向割煤等措施。在生產(chǎn)過程中加強(qiáng)支架工、機(jī)組司機(jī)的培訓(xùn)及嚴(yán)格生產(chǎn)管理,托頂時(shí)必須按照規(guī)范操作,同時(shí)回采過程中必須加強(qiáng)機(jī)電管理,確保所有設(shè)備必須正常運(yùn)轉(zhuǎn),減少設(shè)備的事故率,從而保證工作面正常推進(jìn),在頂板來壓的關(guān)鍵時(shí)期,不因設(shè)備故障而發(fā)生冒頂事故。

3.2 采用超前錨桿治理片幫冒頂

煤壁片幫是冒頂事故的前兆,煤壁受壓過大造成片幫,從而煤壁降低了與支架組合支護(hù)頂板的作用,片幫后出現(xiàn)大面積空頂,達(dá)到一定面積后就會(huì)發(fā)生冒頂事故,因此,控制冒頂事故的關(guān)鍵是控制煤壁片幫。在T1456工作面推采過程中,采用超前錨桿控制煤壁的方法,向煤壁打超前錨桿,采用樹脂錨桿、木錨桿,避免采用金屬錨桿,錨桿長度應(yīng)大于2 m,根據(jù)煤壁片幫的嚴(yán)重程度,合理地布置錨桿間距,原則上間排距不大于1 m。并且割煤的每一循環(huán)必須交錯(cuò)補(bǔ)打錨桿,保證煤壁一直處于支護(hù)狀態(tài)。當(dāng)冒頂區(qū)域安全通過后,逐漸減少錨桿的數(shù)量,然后至正常推采狀態(tài)。

3.3 利用充填材料處理冒頂事故

5＃煤層區(qū)域在推采過程中復(fù)合頂板變厚變薄區(qū)域多次發(fā)生了冒頂事故,由于復(fù)合頂板的厚度不一,破碎形成的空頂區(qū)也有差別,因此利用充填材料充填空頂區(qū)支護(hù)頂板,防止冒頂事故發(fā)生。在大傾角工作面回采時(shí)老頂較堅(jiān)硬,冒頂后容易出現(xiàn)液壓支架上部大面積空頂,支架失去支護(hù)作用,上頂形成巨大的自然拱。如果繼續(xù)推進(jìn),容易發(fā)生沖擊地壓,造成工作面被摧垮,嚴(yán)重威脅安全生產(chǎn)。T1456工作面利用煤礦防滅火材料作為充填材料,由甲、乙兩種材料組成,根據(jù)充填材料的特性,兩種材料通過注射設(shè)備混合后體積可以迅速膨脹20～30倍。利用該材料可以將液壓支架上部空頂位置充滿,從而實(shí)現(xiàn)接頂?shù)哪康?支護(hù)頂板,緩沖頂板壓力,防止工作面冒頂事故連續(xù)發(fā)生。

3.4 采用煤體固化劑加固破碎頂板

T1456工作面地質(zhì)變化較多,是片幫較嚴(yán)重的區(qū)域,向煤壁交替注射煤體固化劑能夠有效處理大傾角托復(fù)合頂板冒頂事故、防止煤壁片幫發(fā)生。根據(jù)煤壁松散程度及復(fù)合頂板破碎情況,采取煤壁膠結(jié)不片幫原則,向煤壁合理布置注射孔。如圖3所示,單孔打眼深度6 m左右,布置在煤壁腰線位置,封孔深度2 m以上,孔距4～6 m,每孔定量注射,注射完后,正常推采3 m后交錯(cuò)布孔繼續(xù)注射,循環(huán)推進(jìn)過程中,根據(jù)片幫程度逐漸增減孔數(shù)及注射量。

圖3 煤體固化劑注射示意圖

3.5 優(yōu)化采區(qū)設(shè)計(jì)

托復(fù)合頂板開采預(yù)防冒頂事故最為有效的方式為優(yōu)化采區(qū)設(shè)計(jì),避免出現(xiàn)托復(fù)合頂板上山開采。5＃煤層區(qū)域的多個(gè)托復(fù)合頂板開采工作面均出現(xiàn)嚴(yán)重片幫冒頂事故,主要原因之一是向外推采的過程中,不同程度出現(xiàn)了上山開采。上山開采煤壁容易片幫,加上復(fù)合頂板的破碎性,容易出現(xiàn)空頂現(xiàn)象,造成冒頂事故。因此預(yù)防托復(fù)合頂板冒頂事故的最為經(jīng)濟(jì)有效的措施是工作面布置為傾斜下山開采,從整個(gè)采區(qū)考慮優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4 總結(jié)

(1)對托復(fù)合頂板開采發(fā)生冒頂事故的機(jī)理進(jìn)行了分析,是由于推進(jìn)過程中老頂大面積懸頂造成應(yīng)力集中,壓力達(dá)到復(fù)合頂板破碎臨界點(diǎn),致使頂板破碎,發(fā)生冒落。

(2)確定了托復(fù)合頂板開采冒頂?shù)挠绊懸蛩?從傾角大小、地質(zhì)變化情況、生產(chǎn)管理3個(gè)方面對復(fù)合頂板冒頂事故進(jìn)行了分析。

(3)經(jīng)開采實(shí)踐得出,采用加強(qiáng)工作面質(zhì)量管理、打超前錨桿加固煤壁、充填材料充填空頂區(qū)、注射煤體固化劑等措施能夠有效處理托復(fù)合頂板開采冒頂事故。

(4)預(yù)防托復(fù)合頂板冒頂事故最經(jīng)濟(jì)有效的措施是優(yōu)化采區(qū)設(shè)計(jì),工作面布置為傾斜下山開采。

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(責(zé)任編輯 張毅玲)

Research on causes and treatment measures of roof fall during mining with supporting complex roof in large dip angle face

Yang Zhongdong
(Kailuan(Group)Co.,Ltd.,Tangshan,Hebei 063000,China)

In this paper,the author researched the techniques of mining with supporting complex roof in large dip angle face of 5＃coal seam in Tieyi area in Tangshan Mining Company. Through the analysis of roof fall mechanisms during mining with supporting complex roof in large dip angel face,combined with the analysis of coal seam dip angle,geological changes and production management,a scheme of systematic roof fall accident treatment was summarized, and some treatment measures were put forward,such as strengthening working face quality management,using advance anchor bolts to reinforce coal wall,injecting coal curing agent,optimizing mining area design and so on,which achieved the safe and successful mining with supporting complex roof in large dip angle face.

large dip angle face,mining with supporting complex roof,roof fall,broken roof

TD 823

A

楊忠東(1964－),河北東光人,正高級工程師,現(xiàn)就職于開灤(集團(tuán))有限責(zé)任公司。